深入理解JavaScript系列（16）：閉包（Closures）
2012-01-31 08:44 湯姆大叔 閱讀(53981) 評論(30) 收藏 舉報介紹
本章我們將介紹在JavaScript里大家經常來討論的話題 —— 閉包（closure）。閉包其實大家都已經談爛了。盡管如此，這里還是要試著從理論角度來討論下閉包，看看ECMAScript中的閉包內部究竟是如何工作的。
正如在前面的文章中提到的，這些文章都是系列文章，相互之間都是有關聯的。因此，為了更好的理解本文要介紹的內容，建議先去閱讀第14章作用域鏈和第12章變量對象。
英文原文：http://dmitrysoshnikov.com/ecmascript/chapter-6-closures/
概論
在直接討論ECMAScript閉包之前，還是有必要來看一下函數式編程中一些基本定義。
眾所周知，在函數式語言中（ECMAScript也支持這種風格），函數即是數據。就比方說，函數可以賦值給變量，可以當參數傳遞給其他函數，還可以從函數里返回等等。這類函數有特殊的名字和結構。
定義
A functional argument (“Funarg”) — is an argument which value is a function.
函數式參數（“Funarg”） —— 是指值為函數的參數。
例子：
function exampleFunc(funArg) {
funArg();
}
exampleFunc(function () {
alert('funArg');
});
上述例子中funarg的實際參數其實是傳遞給exampleFunc的匿名函數。
反過來，接受函數式參數的函數稱為高階函數（high-order function 簡稱：HOF）。還可以稱作：函數式函數或者偏數理或操作符。上述例子中，exampleFunc 就是這樣的函數。
此前提到的，函數不僅可以作為參數，還可以作為返回值。這類以函數為返回值的函數稱為帶函數值的函數（functions with functional value or function valued functions）。
(function functionValued() {
return function () {
alert('returned function is called');
};
})()();
可以以正常數據形式存在的函數（比方說：當參數傳遞，接受函數式參數或者以函數值返回）都稱作 第一類函數（一般說第一類對象）。在ECMAScript中，所有的函數都是第一類對象。
函數可以作為正常數據存在（例如：當參數傳遞，接受函數式參數或者以函數值返回）都稱作第一類函數（一般說第一類對象）。
在ECMAScript中，所有的函數都是第一類對象。
接受自己作為參數的函數，稱為自應用函數（auto-applicative function 或者 self-applicative function）：
(function selfApplicative(funArg) {
if (funArg && funArg === selfApplicative) {
alert('self-applicative');
return;
}
selfApplicative(selfApplicative);
})();
以自己為返回值的函數稱為自復制函數（auto-replicative function 或者 self-replicative function）。通常，“自復制”這個詞用在文學作品中：
(function selfReplicative() {
return selfReplicative;
})();
自復制函數的其中一個比較有意思的模式是讓僅接受集合的一個項作為參數來接受從而代替接受集合本身。
// 接受集合的函數
function registerModes(modes) {
modes.forEach(registerMode, modes);
}
// 用法
registerModes(['roster', 'accounts', 'groups']);
// 自復制函數的聲明
function modes(mode) {
registerMode(mode); // 注冊一個mode
return modes; // 返回函數自身
}
// 用法，modes鏈式調用
modes('roster')('accounts')('groups')
//有點類似：jQueryObject.addClass("a").toggle().removClass("b")
但直接傳集合用起來相對來說，比較有效并且直觀。
在函數式參數中定義的變量，在“funarg”激活時就能夠訪問了（因為存儲上下文數據的變量對象每次在進入上下文的時候就創建出來了）：
function testFn(funArg) {
// funarg激活時, 局部變量localVar可以訪問了
funArg(10); // 20
funArg(20); // 30
}
testFn(function (arg) {
var localVar = 10;
alert(arg + localVar);
});
然而，我們從第14章知道，在ECMAScript中，函數是可以封裝在父函數中的，并可以使用父函數上下文的變量。這個特性會引發funarg問題。
Funarg問題
在面向堆棧的編程語言中，函數的局部變量都是保存在棧上的，每當函數激活的時候，這些變量和函數參數都會壓入到該堆棧上。
當函數返回的時候，這些參數又會從棧中移除。這種模型對將函數作為函數式值使用的時候有很大的限制（比方說，作為返回值從父函數中返回）。絕大部分情況下，問題會出現在當函數有自由變量的時候。
自由變量是指在函數中使用的，但既不是函數參數也不是函數的局部變量的變量
例子：
function testFn() {
var localVar = 10;
function innerFn(innerParam) {
alert(innerParam + localVar);
}
return innerFn;
}
var someFn = testFn();
someFn(20); // 30
上述例子中，對于innerFn函數來說，localVar就屬于自由變量。
對于采用面向棧模型來存儲局部變量的系統而言，就意味著當testFn函數調用結束后，其局部變量都會從堆棧中移除。這樣一來，當從外部對innerFn進行函數調用的時候，就會發生錯誤（因為localVar變量已經不存在了）。
而且，上述例子在面向棧實現模型中，要想將innerFn以返回值返回根本是不可能的。因為它也是testFn函數的局部變量，也會隨著testFn的返回而移除。
還有一個問題是當系統采用動態作用域，函數作為函數參數使用的時候有關。
看如下例子（偽代碼）：
var z = 10;
function foo() {
alert(z);
}
foo(); // 10 – 使用靜態和動態作用域的時候
(function () {
var z = 20;
foo(); // 10 – 使用靜態作用域, 20 – 使用動態作用域
})();
// 將foo作為參數的時候是一樣的
(function (funArg) {
var z = 30;
funArg(); // 10 – 靜態作用域, 30 – 動態作用域
})(foo);
我們看到，采用動態作用域，變量（標識符）的系統是通過變量動態棧來管理的。因此，自由變量是在當前活躍的動態鏈中查詢的，而不是在函數創建的時候保存起來的靜態作用域鏈中查詢的。
這樣就會產生沖突。比方說，即使Z仍然存在（與之前從棧中移除變量的例子相反），還是會有這樣一個問題： 在不同的函數調用中，Z的值到底取哪個呢（從哪個上下文，哪個作用域中查詢）？
上述描述的就是兩類funarg問題 —— 取決于是否將函數以返回值返回（第一類問題）以及是否將函數當函數參數使用（第二類問題）。
為了解決上述問題，就引入了 閉包的概念。
閉包
閉包是代碼塊和創建該代碼塊的上下文中數據的結合。
讓我們來看下面這個例子（偽代碼）：
var x = 20;
function foo() {
alert(x); // 自由變量"x" == 20
}
// 為foo閉包
fooClosure = {
call: foo // 引用到function
lexicalEnvironment: {x: 20} // 搜索上下文的上下文
};
上述例子中，“fooClosure”部分是偽代碼。對應的，在ECMAScript中，“foo”函數已經有了一個內部屬性——創建該函數上下文的作用域鏈。
“lexical”通常是省略的。上述例子中是為了強調在閉包創建的同時，上下文的數據就會保存起來。當下次調用該函數的時候，自由變量就可以在保存的（閉包）上下文中找到了，正如上述代碼所示，變量“z”的值總是10。
定義中我們使用的比較廣義的詞 —— “代碼塊”，然而，通常（在ECMAScript中）會使用我們經常用到的函數。當然了，并不是所有對閉包的實現都會將閉包和函數綁在一起，比方說，在Ruby語言中，閉包就有可能是： 一個過程對象（procedure object）, 一個lambda表達式或者是代碼塊。
對于要實現將局部變量在上下文銷毀后仍然保存下來，基于棧的實現顯然是不適用的（因為與基于棧的結構相矛盾）。因此在這種情況下，上層作用域的閉包數據是通過 動態分配內存的方式來實現的（基于“堆”的實現），配合使用垃圾回收器（garbage collector簡稱GC）和 引用計數（reference counting）。這種實現方式比基于棧的實現性能要低，然而，任何一種實現總是可以優化的： 可以分析函數是否使用了自由變量，函數式參數或者函數式值，然后根據情況來決定 —— 是將數據存放在堆棧中還是堆中。
ECMAScript閉包的實現
討論完理論部分，接下來讓我們來介紹下ECMAScript中閉包究竟是如何實現的。這里還是有必要再次強調下：ECMAScript只使用靜態（詞法）作用域（而諸如Perl這樣的語言，既可以使用靜態作用域也可以使用動態作用域進行變量聲明）。
var x = 10;
function foo() {
alert(x);
}
(function (funArg) {
var x = 20;
// 變量"x"在(lexical)上下文中靜態保存的，在該函數創建的時候就保存了
funArg(); // 10, 而不是20
})(foo);
技術上說，創建該函數的父級上下文的數據是保存在函數的內部屬性 [[Scope]]中的。如果你還不了解什么是[[Scope]]，建議你先閱讀第14章, 該章節對[[Scope]]作了非常詳細的介紹。如果你對[[Scope]]和作用域鏈的知識完全理解了的話，那對閉包也就完全理解了。
根據函數創建的算法，我們看到 在ECMAScript中，所有的函數都是閉包，因為它們都是在創建的時候就保存了上層上下文的作用域鏈（除開異常的情況） （不管這個函數后續是否會激活 —— [[Scope]]在函數創建的時候就有了）：
var x = 10;
function foo() {
alert(x);
}
// foo是閉包
foo: <FunctionObject> = {
[[Call]]: <code block of foo>,
[[Scope]]: [
global: {
x: 10
}
],
... // 其它屬性
};
如我們所說，為了優化目的，當一個函數沒有使用自由變量的話，實現可能不保存在副作用域鏈里。不過，在ECMA-262-3規范里任何都沒說。因此，正常來說，所有的參數都是在創建階段保存在[[Scope]]屬性里的。
有些實現中，允許對閉包作用域直接進行訪問。比如Rhino，針對函數的[[Scope]]屬性，對應有一個非標準的 __parent__屬性，在第12章中作過介紹：
var global = this;
var x = 10;
var foo = (function () {
var y = 20;
return function () {
alert(y);
};
})();
foo(); // 20
alert(foo.__parent__.y); // 20
foo.__parent__.y = 30;
foo(); // 30
// 可以通過作用域鏈移動到頂部
alert(foo.__parent__.__parent__ === global); // true
alert(foo.__parent__.__parent__.x); // 10
所有對象都引用一個[[Scope]]
這里還要注意的是：在ECMAScript中，同一個父上下文中創建的閉包是共用一個[[Scope]]屬性的。也就是說，某個閉包對其中[[Scope]]的變量做修改會影響到其他閉包對其變量的讀取：
這就是說：所有的內部函數都共享同一個父作用域
var firstClosure;
var secondClosure;
function foo() {
var x = 1;
firstClosure = function () { return ++x; };
secondClosure = function () { return --x; };
x = 2; // 影響 AO["x"], 在2個閉包公有的[[Scope]]中
alert(firstClosure()); // 3, 通過第一個閉包的[[Scope]]
}
foo();
alert(firstClosure()); // 4
alert(secondClosure()); // 3
關于這個功能有一個非常普遍的錯誤認識，開發人員在循環語句里創建函數（內部進行計數）的時候經常得不到預期的結果，而期望是每個函數都有自己的值。
var data = [];
for (var k = 0; k < 3; k++) {
data[k] = function () {
alert(k);
};
}
data[0](); // 3, 而不是0
data[1](); // 3, 而不是1
data[2](); // 3, 而不是2
上述例子就證明了 —— 同一個上下文中創建的閉包是共用一個[[Scope]]屬性的。因此上層上下文中的變量“k”是可以很容易就被改變的。
activeContext.Scope = [
... // 其它變量對象
{data: [...], k: 3} // 活動對象
];
data[0].[[Scope]] === Scope;
data[1].[[Scope]] === Scope;
data[2].[[Scope]] === Scope;
這樣一來，在函數激活的時候，最終使用到的k就已經變成了3了。如下所示，創建一個閉包就可以解決這個問題了：
var data = [];
for (var k = 0; k < 3; k++) {
data[k] = (function _helper(x) {
return function () {
alert(x);
};
})(k); // 傳入"k"值
}
// 現在結果是正確的了
data[0](); // 0
data[1](); // 1
data[2](); // 2
讓我們來看看上述代碼都發生了什么？函數“_helper”創建出來之后，通過傳入參數“k”激活。其返回值也是個函數，該函數保存在對應的數組元素中。這種技術產生了如下效果： 在函數激活時，每次“_helper”都會創建一個新的變量對象，其中含有參數“x”，“x”的值就是傳遞進來的“k”的值。這樣一來，返回的函數的[[Scope]]就成了如下所示：
data[0].[[Scope]] === [
... // 其它變量對象
父級上下文中的活動對象AO: {data: [...], k: 3},
_helper上下文中的活動對象AO: {x: 0}
];
data[1].[[Scope]] === [
... // 其它變量對象
父級上下文中的活動對象AO: {data: [...], k: 3},
_helper上下文中的活動對象AO: {x: 1}
];
data[2].[[Scope]] === [
... // 其它變量對象
父級上下文中的活動對象AO: {data: [...], k: 3},
_helper上下文中的活動對象AO: {x: 2}
];
我們看到，這時函數的[[Scope]]屬性就有了真正想要的值了，為了達到這樣的目的，我們不得不在[[Scope]]中創建額外的變量對象。要注意的是，在返回的函數中，如果要獲取“k”的值，那么該值還是會是3。
順便提下，大量介紹JavaScript的文章都認為只有額外創建的函數才是閉包，這種說法是錯誤的。實踐得出，這種方式是最有效的，然而，從理論角度來說，在ECMAScript中所有的函數都是閉包。
然而，上述提到的方法并不是唯一的方法。通過其他方式也可以獲得正確的“k”的值，如下所示：
var data = [];
for (var k = 0; k < 3; k++) {
(data[k] = function () {
alert(arguments.callee.x);
}).x = k; // 將k作為函數的一個屬性
}
// 結果也是對的
data[0](); // 0
data[1](); // 1
data[2](); // 2
Funarg和return
另外一個特性是從閉包中返回。在ECMAScript中，閉包中的返回語句會將控制流返回給調用上下文（調用者）。而在其他語言中，比如，Ruby，有很多中形式的閉包，相應的處理閉包返回也都不同，下面幾種方式都是可能的：可能直接返回給調用者，或者在某些情況下——直接從上下文退出。
ECMAScript標準的退出行為如下：
function getElement() {
[1, 2, 3].forEach(function (element) {
if (element % 2 == 0) {
// 返回給函數"forEach"函數
// 而不是返回給getElement函數
alert('found: ' + element); // found: 2
return element;
}
});
return null;
}
然而，在ECMAScript中通過try catch可以實現如下效果：
var $break = {};
function getElement() {
try {
[1, 2, 3].forEach(function (element) {
if (element % 2 == 0) {
// // 從getElement中"返回"
alert('found: ' + element); // found: 2
$break.data = element;
throw $break;
}
});
} catch (e) {
if (e == $break) {
return $break.data;
}
}
return null;
}
alert(getElement()); // 2
理論版本
這里說明一下，開發人員經常錯誤將閉包簡化理解成從父上下文中返回內部函數，甚至理解成只有匿名函數才能是閉包。
再說一下，因為作用域鏈，使得所有的函數都是閉包（與函數類型無關： 匿名函數，FE，NFE，FD都是閉包）。
這里只有一類函數除外，那就是通過Function構造器創建的函數，因為其[[Scope]]只包含全局對象。
為了更好的澄清該問題，我們對ECMAScript中的閉包給出2個正確的版本定義：
ECMAScript中，閉包指的是：
- 從理論角度：所有的函數。因為它們都在創建的時候就將上層上下文的數據保存起來了。哪怕是簡單的全局變量也是如此，因為函數中訪問全局變量就相當于是在訪問自由變量，這個時候使用最外層的作用域。
- 從實踐角度：以下函數才算是閉包：
- 即使創建它的上下文已經銷毀，它仍然存在（比如，內部函數從父函數中返回）
- 在代碼中引用了自由變量
閉包用法實戰
實際使用的時候，閉包可以創建出非常優雅的設計，允許對funarg上定義的多種計算方式進行定制。如下就是數組排序的例子，它接受一個排序條件函數作為參數：
[1, 2, 3].sort(function (a, b) {
... // 排序條件
});
同樣的例子還有，數組的map方法是根據函數中定義的條件將原數組映射到一個新的數組中：
[1, 2, 3].map(function (element) {
return element * 2;
}); // [2, 4, 6]
使用函數式參數，可以很方便的實現一個搜索方法，并且可以支持無限制的搜索條件：
someCollection.find(function (element) {
return element.someProperty == 'searchCondition';
});
還有應用函數，比如常見的forEach方法，將函數應用到每個數組元素：
[1, 2, 3].forEach(function (element) {
if (element % 2 != 0) {
alert(element);
}
}); // 1, 3
順便提下，函數對象的 apply 和 call方法，在函數式編程中也可以用作應用函數。 apply和call已經在討論“this”的時候介紹過了；這里，我們將它們看作是應用函數 —— 應用到參數中的函數（在apply中是參數列表，在call中是獨立的參數）：
(function () {
alert([].join.call(arguments, ';')); // 1;2;3
}).apply(this, [1, 2, 3]);
閉包還有另外一個非常重要的應用 —— 延遲調用：
var a = 10;
setTimeout(function () {
alert(a); // 10, after one second
}, 1000);
還有回調函數
//...
var x = 10;
// only for example
xmlHttpRequestObject.onreadystatechange = function () {
// 當數據就緒的時候，才會調用;
// 這里，不論是在哪個上下文中創建
// 此時變量“x”的值已經存在了
alert(x); // 10
};
//...
還可以創建封裝的作用域來隱藏輔助對象：
var foo = {};
// 初始化
(function (object) {
var x = 10;
object.getX = function _getX() {
return x;
};
})(foo);
alert(foo.getX()); // 獲得閉包 "x" – 10
總結
本文介紹了更多關于ECMAScript-262-3的理論知識，而我認為，這些基礎的理論有助于理解ECMAScript中閉包的概念。如果有任何問題，我回在評論里回復大家。
其它參考
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